“突破星空”计划能顺利完成计划中的旅程吗？

在整个人类历史上，踏上星际之旅似乎是一个遥不可及的梦想，由于太阳与任何恒星邻居之间的巨大距离，这几乎是不可能的。

即使有了有史以来最强大的火箭技术，也需要数万年的时间才能到达太阳系外最近的恒星。

即使是有史以来从地球上发射的最快的航天器-如旅行者号、先驱者号和新地平线号任务-在离开太阳系的途中也只以每秒几十公里的速度移动，这意味着几光年的旅程需要一千个人的一生才能完成。

但最近，一个巧妙的想法利用了激光技术的最新发展，希望改变这一切：突破性的星光拍摄。

通过将“激光帆”加速到光速的几分之一，该项目希望在几十年而不是几千年内将附加的微型航天器发送到星际目的地。

但是，这些被提议的宇宙飞船能在旅途中幸存下来吗？

这就是帕特龙的支持者乔治·丘奇想知道的，他问道：

“如果突破恒星以0.2c的速度从地球进入半人马座阿尔法星系，有多少粒子(质子、尘埃颗粒等)？而且会遇到温度变化，在薄薄的光帆上每一次都会有什么后果呢？“

这是一个令人着迷的问题，我们对宇宙的了解足以计算出答案。

让我们一头扎进去，一探究竟。

2021年12月25日，詹姆斯·韦伯太空望远镜从阿丽亚娜5号火箭成功升空进入轨道。

火箭技术一直是我们成功推动宇宙飞船在太空中飞行的唯一方法。

我们曾冒险走出地球之外的唯一途径是通过火箭科学：燃料和能量被消耗，产生推力，而推力会加速航天器。

通过与其他大质量物体的引力相遇，比如太阳系内的行星，我们可以给这些航天器额外的“刺激”，使它们加速到更高的速度。

从根本上说，火箭本身的推力是有限的，因为它们使用化学燃料。

当你基于化学反应提取能量时，正是电子和原子结合方式的转变释放了能量，而这种能量只占总质量的极小一部分：大约百万分之一的质量可以转化为能量。

如果我们能够利用一种更有效的燃料-包括核反应，或物质-例如反物质湮灭-就有可能将火箭上更多的质量转化为能量，从而使我们能够达到更高的速度，并缩短前往遥远目的地的旅程。

然而，这项技术还不存在，因此实际的太空旅行受到这些因素的限制。

至少到目前为止是这样。

使用大量激光来加速航天器的想法是新颖的，由于最近激光技术的进步和成本的降低，这一想法可能在未来几十年内实现。

然而，要成功完成星际之旅，需要的不仅仅是快速、持续的加速。

突破性星空计划背后的革命性想法依赖于激光技术的最新进展。

在过去的二十年里，单个激光器能够输出的功率以及激光器可以实现的准直水平都大幅增加，而高功率激光器的成本随着这些发展而下降。

因此，您可以设想一下理想的情况，如下所示：

在太空中建造了一组高功率激光器。

一系列基于纳米技术的航天器被建造起来，并附在一个薄、轻、高反射但坚固的“帆”上。

然后，激光阵列一次向一艘纳米飞船发射，将其朝一个方向加速-朝着最终的星际目的地-尽可能长的时间内达到尽可能快的速度。

在穿越星际介质后，它到达目的地，在那里它收集信息，获取数据，并将其传输回相同的星际距离，一直到地球。

这是“梦幻场景”，即使是这种场景也太乐观了，详细来说，突破星空团队无法考虑。

通过利用强大的激光阵列和高度反射的薄、光、平表面，应该可以将航天器加速到比任何宏观物体在人类力量下达到的速度都要高得多的速度。

首先，他们设想的不是太空中的激光阵列，而是地面上的激光阵列，那里的激光本身被大气分散。

这是一项节约成本的措施，消除了在太空发射和组装阵列的需要，但正如突破计划的工程总监皮特·克鲁帕(Pete Klupar)所说，它也有自己的障碍：

“主要的努力(和资金)集中在将几乎无限数量的激光连贯地结合在一起的能力上。”

即使采用了我们目前最好的自适应光学和相控阵技术，地面激光阵列，即使在高海拔，也需要有10到100倍的改进才能可行。

此外，即使是人类已知的反射率最高的表面--反射了其上入射能量的99.999%--目前也会吸收大约0.001%，而影响它们的总能量。

至少就目前而言，这是双重灾难。

它也会在短时间内烧毁光帆，使其毫无用处。

光帆本身虽然被入射的激光加速，但在其表面上会受到差异力的作用，产生扭矩并导致帆旋转，使得连续的定向加速成为不可能。

更多的障碍构成了远远超出当前技术极限的困难，必须克服每一个障碍才能实现突破星空的目标。

突破星空计划的目标是一个非常雄心勃勃的目标：走出太阳系，穿过将我们的太阳系与最近的恒星系统隔开的星际空间：比邻星/阿尔法半人马座系统。

不要被它在这张图中看起来有多近所欺骗，比例是对数的。

但为了便于讨论，让我们假设所有这些障碍不仅可以克服，而且实际上将被克服。

假设我们可以：

创建一个足够强大、足够准直的激光器阵列。

在芯片上安装所有合适的设备，创建一个亚克纳米飞船。

制作一个反射充足、光线充足、抗旋转性能稳定的光帆。

加速并将航天器引向最近的恒星系统：比邻星/半人马座阿尔法星。

让我们假设我们可以达到我们想要的速度：20%的光速，或约6万公里/秒。这大约是一颗典型恒星通过我们银河系的速度的300倍，或者是恒星通过星际介质的相对速度的几千倍。

只要我们还在太阳系内，最大的威胁就来自尘埃颗粒，也就是我们在地球附近发射的航天器上通常会穿孔的微流星体。

保持航天器完好无损的最大敌人是动能，即使在光速为20%的情况下，动能仍然可以很好地近似于我们简单的非相对论公式：Ke=1/2 mv2，其中m是质量，v是粒子与物体碰撞的相对速度。

这张图片显示了美国国家航空航天局(NASA)的太阳马克斯(Solar Max)卫星面板上的一个洞，这个洞是由微流星体撞击造成的。

虽然这个洞很可能是由比“突破之星”纳米飞船可能遇到的尘埃大得多的尘埃形成的，但撞击器产生的动能主要是小粒子，而不是大粒子。

然而，一旦我们离开太阳系，飞行中的航天器遇到的粒子密度和大小分布就会发生变化。

我们拥有的最好的数据来自于尤利西斯任务提供的建模、远程观测和直接采样的组合。

大多数宇宙尘埃粒子都很小，质量很低，但也有一些更大，质量更大。

如果你能够将整个航天器的横截面尺寸缩小到1平方厘米，那么在大约4光年的旅程中，你预计不会遇到直径在1微米或更大的粒子；你只有大约10%的机会做到这一点。

然而，当你观察更小的粒子时，你开始预计会有更多的碰撞：

1与直径约0.5微米的粒子碰撞。

10次与直径约0.3微米的粒子的碰撞。

100次与直径约0.18微米的粒子的碰撞。

1000次与直径约0.1微米的粒子的碰撞。

10000次与直径约0.05微米的粒子的碰撞。

10万次与直径约0.03微米的粒子的碰撞。

100万次与直径约0.018微米的粒子的碰撞。

1000万次与直径约0.01微米的粒子的碰撞

这张扫描电子显微镜图像显示了一个略大于1微米的行星际尘埃颗粒。

在星际空间中，我们只能根据尘埃的大小和组成来推断尘埃的分布，特别是在光谱的低质量和小尺寸端。

你可能会认为这不是什么大事，遇到这么多这样的微小粒子，特别是当你考虑到这些粒子的质量是多么微小的时候。

例如，你撞击过的最大粒子，直径为0.5微米，质量只有4皮克(4 10-12克)。

当你降到直径约0.1微米的粒子时，它的质量将是微不足道的20毫微克(2 10-14克)。

而在直径约0.01微米的情况下，一个粒子的质量只有20阿特克(2 10-17g)。

但是，如果你计算一下，就会发现这是灾难性的。

给通过星际介质的航天器提供最多能量的不是最大的粒子，而是最小的粒子。

在20%的光速下，直径约0.5微米的粒子将向这个微小的航天器提供7.2焦耳的能量，大约相当于将约2.3公斤的重量从地面提升到头顶所需的能量。

现在，直径约0.01微米的粒子，也以光速约20%的速度移动，只会向同一航天器提供36微焦耳的能量：这似乎是微不足道的量。

虽然使用光帆通过向帆发射一系列强大的激光来推动微芯片通过星际空间的想法是令人信服的，但目前实现这一目标还有不可逾越的障碍。

只要知道，这绝对不会被误认为是像“欧穆阿瓜”这样的星际闯入者。

但后几次碰撞的频率是预计发生的最大碰撞的1000万倍。

当我们看一看预计从大约0.01微米或更大的尘埃颗粒中预计的总能量损失时，很容易计算出，由于与星际介质中各种大小的尘埃颗粒的碰撞，总共有大约800焦耳的能量沉积到这个航天器的每平方厘米。

它给了我们一些宝贵的教训：

目前的突破性星空构想，即在纳米飞船上涂上一层像铍铜这样的材料的保护层，是远远不够的。

激光帆将面临在短时间内被完全撕碎的危险，如果在最初的激光驱动加速发生后不丢弃或(以某种方式)折叠和堆放，还将对纳米飞船造成巨大的阻力。

来自更小物体的碰撞--比如整个星际介质中存在的分子、原子和离子--也会累积起来，并有可能产生比尘埃粒子更大的累积效应。

图中是GALEX天文台在紫外波段拍摄的米拉恒星，它在星际介质中的速度比正常速度快得多：大约130公里/秒，比计划中的“突破性恒星射击”任务慢了大约400倍。

尾巴延伸约13光年，被喷出，但也被渗透到星际介质中的物质剥离和减慢。

当然，对于这些问题中的许多都有聪明的解决方案。

例如，如果你确定光帆本身会遭受太大的损坏，或者会使你的旅程减慢太多，你只需在激光加速阶段完成后将其拆卸即可。

如果你把你的纳米飞船--仪器的“宇宙飞船”部分--设计得非常薄，你就可以引导它旅行，这样它的横截面就会最小化。

如果你确定离子造成的损害是巨大的，你可能会通过航天器产生持续的电流，产生自己的磁场来偏转带电的宇宙粒子。

然而，这些干预措施中的每一种都有自己的缺点。

记住，这次任务的目标不仅是到达一个遥远的恒星系统，而且是记录数据并将其传回地球。

如果你丢弃了激光帆，你就失去了将数据传回的能力，因为帆本身的设计也是为了参与数据传输。

如果你把你的太空船做得很薄，那么你就得担心碰撞会给它带来角动量，最终导致太空船旋转失控。

航天器产生的任何磁场都有可能戏剧性地改变其轨迹，因为星际介质中也有不可忽略的电场和磁场，它们相互作用。

我们附近的恒星和恒星系统之间的大量空间并不是完全空的，而是充满了气体、尘埃、分子、原子、离子、光子和宇宙射线。

我们越快通过它，我们遭受的损害就越大，无论我们的航天器的大小或组成如何。

目前，关于突破性恒星计划，人们能说的最好的一件事是，任务成功不需要违反已知的物理定律。

我们“仅仅”需要，这是对“仅仅”的一个非常宽松的定义，来克服一系列巨大的工程问题，这些问题以前从未以这样的规模被解决过。

为了让这艘宇宙飞船在几十年的时间里保持运转，在多光年的星际空间进行超高速旅行，需要的进步远远超过今天正在积极研究的东西。

尽管如此，承担最具挑战性和雄心勃勃的问题往往是我们推动科学技术实现最大飞跃和突破的方式。

尽管我们很可能不会，就像该倡议背后的科学家经常喜欢宣称的那样，在我们现在的有生之年能够到达另一个恒星系统并与之通信，但我们完全有理由为实现这一目标做出最诚挚的尝试。

虽然我们应该完全预料到在旅途中会有几十种新颖、壮观的方式失败，但这些失败的尝试恰恰是为最终的成功之路铺平道路所需要的。

毕竟，当你伸手去摘星星的时候，最愚蠢的事情就是连尝试都失败了。